CN1064188C - 控制用于机车传输的电子驱动x-y移动机构电压的方法 - Google Patents

Abstract

一种机车传输用电子控制X-Y移动机构的控制策略，既利用欧洲机车系统的额外供电电压又保持与美国系统的共用性。可变电压脉宽调制占空百分比维持在50%额定值或以下，使24伏电源看似12伏电源，使12伏和24伏两种机车系统在移动机构的硬件和基本控制算法上一致。当电源电压低于24伏，在移动爪10初始运动到爪与移动块11、12、13啮合运动期间，以及低作用力但高速运动期间，该百分比可提高到超过50%的限制值。

Description

控制用于机车传输的电子驱动X-Y移动机构电压的方法

发明背景和概要

本发明通常涉及电子控制传输系统，更具体地说，涉及一种计算机控制方法，用于优化电力驱动X-Y移动机中电机驱动信号的脉冲宽度调制(PWM)的占空比。

在机械自动传输领域，电驱动X-Y移动机构用于实现变速换档已广为人知。例如，已授予本发明受让人的美国专利第4，873，881和5，305，240号，在这里用作参考。这种机构一般包括多个大体平行、空间分离的、可轴向移动的移动轨，每个移动轨载有一个移动叉，该移动叉和一个刚性离合器相联结，该离合器用于选择性地使第一齿或第二齿和传动轴啮合或分离。一般地，通过选择一个移动轨，沿轴X-X方向轴向或径向地移动一个移动爪使之与被选移动轨所载移动块成一直线，传输的移动才算完成。然后，沿轴向或径向移动移动爪，在垂直于轴X-X的Y-Y轴方向上，施加一作用力给移动块，这样被选移动轨就移动至新位置，实现了换档。移动爪由微机控制系统控制下的电机驱动，该控制系统在一个一般从机车电源获得的输入信号上，使用了脉冲宽度调制占空比。

采用这种X-Y移动装置的传输系统，既在美国出售，采用标准12伏(12V)供电电压，又在欧洲出售，采用24伏电压。为了减少因满足美国和欧洲供电电压不同而导致的不同硬件和软件所引起的花费，提供一种X-Y移动装置，其差别尽可能小且在两种供电电压环境下均能运行，这将是很有益处的。

为了保持这种电子控制传输系统在美国和欧洲的通用性，在美国其电源电压一般为12伏，在欧洲电源电压一般为24伏，基于本发明所说，用于欧洲传输系统的X-Y移动装置设计成可有效地利用可用24伏中的12伏。在给定的足够短的控制循环时间内，在欧洲传输系统里采用固定的50％占空比脉宽调制，使24伏电源看似12伏电源。在这一点上，一般的机械和机电组件象电机和其它硬件等都可以用在美国和欧洲，只是为实现欧洲的PWM限值而需在软件上作必要的很小的改变。

然而，在某些条件下，欧洲的额外供电电压对X-Y移动装置的优化运行是有益的。例如，当可用输入电源降至24伏以下时，固定50％占空比的限制可能使欧洲移动装置不必要地遭受象美国系统低于12伏时的同样低电压。在此方式工作的欧洲系统在快速移动场合下将不能利用较高的可用电源电压。在这种情况下，额外的电压可使移动爪快速移动到下一个啮合位置。

因此，提供一种具有用24V电源电压的X-Y移动装置并能在某种情形下充分利用该较高电压，是很需要的。然而，当移动爪将和另一个移动块啮合，或啮合力已另外存在时，为减小机械磨损和爪损伤同时运行在各种组件的额定值，返回到50％的额定占空比是有益的。

本发明的目的在于提供一种控制用于机车传输的电子驱动X-Y移动机构电压的方法，使之既利用欧洲机车系统的额外供电电压又保持与美国系统的共用性。

为达到上述目的，本发明提供了一种方法，用于适应性地控制用于机车传输的电子驱动X-Y移动机构的电压，其中所说移动机构包括可为电机驱动的移动爪，所说电机由一控制信号驱动，该方法包括如下步骤：

从供电电源处接受电输入信号；

给予所说输入信号一个占空比以产生一电机控制信号，所说占空比有一预定的最大百分比限制，以获得所说控制信号的一目标电压水平，所说目标电压是所说输入信号的额定电压的预定百分数；

监测所说控制信号的电压；以及

响应于瞬时控制信号电压低于所说目标电压的情形，调整占空比百分数为大于所说限值的一个百分比以达到所说目标电压水平。

本发明还提供了一种方法，用于适应性地控制用于机车传输的电子驱动X-Y移动机构的电压，其中所说移动机构包括可为电机驱动的移动爪，所说电机由一控制信号驱动，所说控制信号可以大致为或低于预定的最大电压，该方法包括如下步骤：

接受来自电源处的电输入信号，所说输入信号大致处于额定电压，以及

给予所说输入信号一脉宽调制占空比，所说占空比有一最大百分数，该百分数等于所说最大电机控制电压与所说额定输入信号电压值的比值。

本发明提供的方法，在特定情形下通过瞬时调整脉宽调制占空比使之大于额定值50％来充分利用该额外可用电压。这些特定情形包括电源电压低于24伏、提供较快电机加速以快速到达最高速度及在低作用力但高速运动的情形。用于欧洲制式X-Y移动机构的固定50％脉宽调制限制的这些例外情况，增强了传输性能同时维持了与美国系统的兼容的现水平。

从下述结合附图的描述，可以更清楚地看到本发明的这些和其它特点和优点。

附图概述

图1是展示移动轨和移动块的X-Y移动装置的部分简略视图，以及定位移动爪的控制系统的方框图。

图2是当依据本发明用12伏系统和24伏系统来控制一个X-Y移动机构时，在同一轨上(同样X-X位置)收集的重要数据的图示比较。

图3与图2类似，用于说明轨道变化的移动的同样比较。

图4是说明计及供电电源电压低于24伏时情形的现行控制策略运行的流程图。

图5是与图4类似的流程图，用于描述在移动爪和移动块之间的啮合点与移动装置初始运动之间的时间段中控制爪驱动电机的本控制策略。

优选实施方案的详细描述

现在转向各示意图，特别是图1，这里示出了象前述专利所提示的X-Y移动装置的许多部分，包括一移动爪10，它被用来有选择地与移动块11、12和13的内壁啮合。移动块11、12和13分别放置在移动轨14a、14b和14c上，每个移动轨有一个由分别标示为16a、16b和16c的插销机构所确定的锁销位置。爪10通过适当的机构(未标示)与电机18和20相耦合，电机18和20正如被参考专利详细解释的那样，用于分别在X-X和Y-Y方向上移动爪10。另一方面，一个电机、合适的离合器和驱动机构可用于选择性地在X-X和Y-Y轴方向上移动爪。

在微机28的控制下，经控制逻辑24和26给电机18和20提供占空比可变的脉宽调制(PWM)电压。该供应电压在电机18和20上产生一电流，该电流被30和32测量和滤波，在模数转换器34处数字化后输入到微机28。微机通过编程去比较测得电流和理想电流，并通过改变占空比百分数来修正测得电流的偏移和误差。

为给微机28提供关于移动爪10相对于移动块11、12和13的位置的信息，爪10沿轴X-X和Y-Y方向的位置由电位计36和38所检测，电位计36和38在移动爪运动范围内输出0～5伏的电压。电位计36和38的输出信号经40和42滤波，再数字化返回输入到微机28。在有必要检测或预期移动爪10的位置时，该输入信息用作闭环控制。通过控制逻辑24和26，微机28控制电机旋转方向；通过占空比变化来控制电机的输出力矩和速度。对供给电机的电流的闭环控制和对移动爪10的位置的闭环控制，使爪和移动块11-13的内壁可控地进行啮合。

在针对具有该一般类型X-Y移动装置的传输系统描述本发明的控制策略时，应该看到本发明同样很好地适合于变结构的传输系统，其中需要对给定输入电源的额定电压限值。本实施方案中，电机18和20由24伏供电且有50％的额定限制，但这些数字可依特定X～Y移动装置运行的条件及其设置而有较大的差异。

使用为12伏系统设计的电机的24伏机车系统可以获得与12伏机车系统同样高的X-Y移动机构性能指标(在定位准确性、速度、力和电流水平指标上)，只要在软件控制算法上作如下的校准修改：限制饱和脉宽调制水平为50％以及把用于对位置和电流的标准PD控制的比例和微分控制常数除以2。图2和3的图形对12伏和24伏系统中采用这一策略来控制的同一移动机构作了比较。这一策略具有显著的优点，即基于同样的基本控制算法，同样的X-Y移动机构的硬件可以应用到12和24伏两种系统应用中。

图4的流程图展示了输入电源电压下降时，对被施予电机18和20的电压进行控制的策略。这一策略在软件里被优先实施为一个循环，它可被在微机28里运行的主控程序周期性地调用，或者可由本领域技术人员所熟悉的其它形式来实现。该控制循环开始于菱形框50，该框判断供给电机18和20的具有给定PWM占空比限值的有效瞬时可用电压(此处表示为V_MOT)是否低于一预设值，如12伏。这一判断可用各种方法来实现，优选地在微机28里完成。如果V_MOT低于目标电压12伏，脉宽调制占空比将在方框52处提高直至V_MOT不再低于12伏。这优选地通过将PWM百分比立即提高至100％来完成，但也可以用其它方法方式来实现，如提高到另一百分值或有一段时间上提高。

当电机供应电压高于或等于12伏时，菱形框54判断该电压是否已提升到超过12伏。如果已超过，PWM占空比将在方框56处降低，在本优选实施方案中，至额定限值50％。当然，在熟悉本技术的人看来，有各种各样的方法来实现此控制策略以保持大致恒定的供电电压12伏。例如，使用PWM限值前，可在电源处测得供电电压并作相应调整。另一方面，同样的策略可以利用诸如电流之类的另一系统参数的类似方式应用。

现在回到图5，一类似的控制循环用于在大致维持额定的12伏电机输入电压时实现最大的移动性能。从菱形框60开始，判断X-Y移动装置的爪10是否开始了初始的运动，如从空档位置或从一啮合位置向下一位置运动。这一判断一般由电位计36和38检测移动爪10的位置来完成，但也可以用其它合适的方式来完成。(例如，授予本发明受让人、并于此处作为本发明参考专利的美国专利第5，325，029号)。

一旦检测到爪10的初始运动，方框62提高PWM占空比优选至100％，尽管这一百分数可以改变，以给电机18和20提供额外动力而得以较快速移动。(参看美国专利号5，325，029)。占空比百分数优选地保持高于额定值直到在菱形框64处检测(或甚至预期)到爪10和移动块11、12和13中的一个内壁在X-Y方向上相啮合为止。一旦检测到这种初始啮合，或经判断它将会发生，方框66调节占空比百分数，使之返回到额定百分比限值。通过控制该占空比以便在啮合情况下维持有余量的最高电压12伏的同时提高移动速度，本传输系统可以在减小电机中的机械故障、爪裂和磨损的同时提高系统性能。如上所说，本控制策略也可以用各种变通方法加以实现，例如检测和调节输入功率和电机控制信号的电流幅值。

本方法优选地在软件中实施，目的是为了在美国和欧洲X-Y移动系统中提供最大的共用性，且提供一种改变占空比的可调节装置。图4和5中的控制循环和X-Y移动装置的主控程序的相互协调可以用任何一种本领域技术人员熟知的合适方式加以实现。

前述讨论揭示和描述了本发明的一个例示性实施方案。本领域的技术人员易于看到在不偏离如下面权利要求所定义的本发明的精神和范畴基础上可以作各种改变和修改。

Claims (11)

1．一种方法，用于适应性地控制用于机车传输的电子驱动X-Y移动机构的电压，其中所说移动机构包括可为电机(18、20)驱动的移动爪(10)，所说电机由一控制信号驱动，该方法包括如下步骤：

从供电电源处接受电输入信号；

给予所说输入信号一个占空比以产生一电机控制信号，所说占空比有一预定的最大百分比限制，以获得所说控制信号的一目标电压水平，所说目标电压是所说输入信号的额定电压的预定百分数；

监测(60)所说控制信号的电压；以及

响应于瞬时控制信号电压低于所说目标电压的情形，调整占空比百分数为大于所说限值的一个百分比以达到所说目标电压水平。

2．权利要求1中方法，其中所说输入信号电压使用可变电压脉宽调制占空比加以改变。

3．权利要求2的方法，其中所说占空比百分数被提高到100％，直到所说控制信号达到所说目标电压水平。

4．权利要求1的方法，还包括当所说目标电压水平已达到或超出时，减小占空比至所说预定百分数的步骤。

5．一种方法，用于控制施予用于机车传输的电力驱动X-Y移动机构的电压，其中所说移动机构包括可由电机装置(18、20)驱动的一移动爪(10)，所说电机装置由一控制信号驱动，所说策略包括如下步骤：

从供电电源处接受电输入信号；

给予所说输入信号一占空比以产生电机控制信号，所说占空比有一预定的最大百分比限值，以获得所说控制信号的一目标电压水平，所说目标电压是所说输入信号额定电压的一预定百分比；

监测(60)所说移动爪的位置；

响应于检测到的所说移动爪从第一位置向第二位置的初始运动，提高所说给予的占空百分比(62)，直到所说移动爪到达所说第二位置；以及

调整(66)所说占空比百分数，使之返回到预定百分数。

6．权利要求5的方法，其中所说电压使用可变的电压脉宽调制占空比加以调整。

7．权利要求6的方法，其中所说给予的百分数被提高到10％，直到所说移动爪到达所说第二位置。

8．权利要求5的方法，其中所说X-Y移动机构还包括多个可以由所说移动爪啮合的移动块，其中所说移动爪的所说第二位置对应于所说移动爪和移动块(11、12、13)可以相啮合的位置。

9．权利要求5的方法，其中所说移动爪(10)的所说第二位置对应于所说移动爪和移动块(11、12、13)强行啮合的位置。

10．一种方法，用于适应性地控制用于机车传输的电子驱动X-Y移动机构的电压，其中所说移动机构包括可为电机驱动的移动爪(10)，所说电机由一控制信号驱动，所说控制信号可以大致为或低于预定的最大电压，该方法包括如下步骤：

接受来自电源处的电输入信号，所说输入信号大致处于额定电压，以及

给予所说输入信号一脉宽调制占空比，所说占空比有一最大百分数，该百分数等于所说最大电机控制电压与所说额定输入信号电压值的比值。

11．权利要求10的方法，其中所说电机控制信号的最大电压是12伏，所说额定输入信号电压是24伏。

Images